部分相干光传输及其在物体信息恢复中的应用

Phase retrieval of objects using partially coherent illumination has been a long lasting challenging and focus in many research fields. In real application, the coherence degree of laser beam will decrease caused by the turbulent environment. Therefore, the partially coherent theory should be used to solve the problems of the phase retrieval. In addition, the current method will fail to retrieve the phase of the object when the mutual coherence function of the partially coherent beam is unknown. Therefore, it is necessary to find a new, more wide and efficient method for phase retrieval with partially coherent illumination. In this applied project, the theoretical model of partially coherent beam passing through the object will be introduced and the influence of spatial coherence on propagation properties will be discussed. Secondly, the mode expansion and perturbation are used to realize the highly efficient phase retrieval of the object with illumination of the partially coherent beam. We report the experimental generation of the partially coherent beam with special spatial mutual coherence function. The effects of spatial coherence and mutual coherence function on the reconstructed object are discussed and studied in detail. We propose a new method for measuring real and imaginary parts of the complex degree of coherence and spatial coherent width. The biological object can be trapped by the optical tweezers, and retrieve its phase. This makes the method useful for quick wave front detection under different environment and wavelength.

如何准确地恢复物波的相位信息一直是多个科学领域的研究热点和难点，在实际应用中，激光束会受到外界环境扰动的影响，其空间相干性会降低，因此相位恢复过程中需要用部分相干光理论处理，特别是部分相干光的关联结构未知的情况下，现有的相位恢复方法都无法实现准确相位信息恢复，因此迫切需要发展一种适用范围更广、效率更高的部分相干光照明下的物体信息恢复方法。本项目将建立部分相干光束经过物体的传输模型，探讨空间相干性对传输特性的影响；利用模式展开和引入微扰的方法分别实现部分相干光照明下物体信息的快速正确恢复；搭建特殊关联结构的部分相干光的产生装置，研究在特殊关联结构部分相干光照明下的物体信息的恢复及由光源关联结构而产生的影响，精确测量关联结构的实部、虚部和空间相干宽度；搭建光镊装置，实现生物样品的捕获及相位信息的正确获取。本相位恢复方法将提供一种适用于不同环境和波长的快速波前检测技术，具有重要的科研和应用价值。

相位恢复技术在材料科学、生物医学、天文学等领域有着广泛的应用。在以往的研究中，就空间相干性而言，常将光源当作完全相干光处理，但在实际应用中，Ｘ射线、电子束等光源都是部分相干光，且完全相干光经过湍流介质传输后空间相干性会降低，因此，在部分相干照明时实现物体相位信息的准确恢复尤为重要。本项目中，开展了传统关联和特殊空间关联结构的部分相干光的产生及传输特性、传统关联结构和特殊空间关联结构的部分相干光照明下物体信息的非迭代恢复、部分相干衍射成像在光场测量方面的应用、基于部分相干衍射成像技术的生物样品相位信息获取和恢复等4个研究内容。.1.构建了部分相干的完美拉盖尔高斯光束及指数阶涡旋光束等具有传统空间关联结构的部分相干光，构建了厄米高斯关联部分相干涡旋光束等具有特殊空间关联结构的部分相干光，理论结合实验研究了以上光束的产生和自由空间传输特性。.2.提出三种针对部分相干光照明的非迭代部分相干衍射成像技术，分别为自参考全息术、焦移法和多孔列阵法，通过移动这三种技术中对应的参考点选择，成功实现了低空间相干性下相位物体的全视野成像。.3.将本项目提出的部分相干衍射成像技术应用于部分相干光场关联结构的测量和部分相干涡旋光束的拓扑荷测量，充分利用上述部分相干衍射成像技术中参考点自由移动的优势，解决了部分相干涡旋光束特别是低相干涡旋光束无法同时测量拓扑荷大小和正负的难题，实现了部分相干光场相干奇点的实验测量。对下一步部分相干涡旋光束应用于光通讯提供了技术支撑。.4.将部分相干衍射成像技术应用于研究观测正常及病变的宫颈脱落细胞。与传统的光学成像相比，相位成像能够帮助更加明显地区别细胞核、细胞质及样本基底，对宫颈癌临床早期诊断提供技术支持。.本项目的研究成果，为部分相干光照明下的物体信息恢复提供了技术手段，解决了低空间相干情况下的涡旋光束拓扑荷测量难题，为病变细胞的精确诊断提供了新的途径，具有重要的科研和应用价值。